变频调速在港口起重机械上的应用.docx

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变频调速在港口起重机械上的应用

变频调速在港口起重机械上的应用

2008-02-2709:

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1、交流调速系统概述

　　1.1交流调速系统的特点

可调速的电力拖动系统可分为直流调速系统和交流调速系统两类。

所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

　　在电力拖动的发展过程中，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，随着工业技术的发展，尤其是随着现代电力电子技术的发展而在相互竞争。

在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。

然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。

相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。

因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。

　　随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。

诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。

现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。

交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。

　　　　1.2交流调速常用的调速方案及其性能比较

　　由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：

　　n=60ƒ1（1-s）/pn

                                    （1-1）

　　式中Pn——电动机定子绕阻的磁极对数；

　　f1——电动机定子电压供电频率；

　　s——电动机的转差率。

　　从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三种方法。

（1）改变电动机的磁极对数

　　由异步电动机的同步转速

　　no=60ƒ1/pn

　　可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。

这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。

采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。

（2）变频调速

　　从式（1—1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。

变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。

且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。

所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。

　　（3）变转差率调速

　　改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：

异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。

　　定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。

为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。

所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。

　　电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。

鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。

这种系统一般也采用转速闭环控制。

　　绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。

　　绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。

Ef越大，电动机转速越低。

　　上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率s较大。

　　在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：

一部分P2=（1—s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。

就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：

　　1）转差功率消耗型

　　这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。

定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。

　　2）转差功率回馈型

　　这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。

绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。

　　3）转差功率不变型

　　这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。

如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。

在改变n0的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。

　　1.3变流调速系统的发展趋势

　　近十几年来，随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重大进展，使得交流调速技术有了很大发展。

今后的交流调速技术将在以下几个方面得到进一步的发展。

（1）交流调速系统的高性能化

　　交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求。

今后的产品将普遍采用矢量控制技术，提高调速性能，达到和超过直流调速水平。

　　矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，它的想法是设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。

调速的关键问题是转矩控制问题，直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易，而交流电动机的转矩则难于控制。

为使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能，必须通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。

即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。

　　矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上一个质的飞跃。

但是经典的矢量控制方法比较复杂，它要进行坐标变换，且需精确测算出转子磁链的大小和方向，比较麻烦，且其精度受转子参数变化的影响很大。

近年来又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量，而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的砰砰控制，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。

此法虽尚未形成商品化的产品，但却是很有发展前景的一种新的控制原理。

交流电动机调速控制理论，从V/f恒定控制法到矢量控制法是一个飞跃，从矢量控制法到直接转矩控制法将是第二个飞跃。

（2）全控型大功率新型电力器件

　　交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，50年代世界上出现了电力半导体器件的晶闸管，为交流电动机调速技术的发展开辟了道路。

但是作为第一代电力半导体器件的晶闸管没有自关断能力，需要利用电源或负载的外界条件来实现换相，因此用晶闸管来实现的交—直—交变频装置的核心的逆变器，必须配以大功率的强迫换相线路才能实现可靠的逆变。

所以，人们一直在致力于研制出一种大功率，正反间均可用较小的功率进行导通与关断控制的全控型器件，以便用较简单的手段即可实现复杂的逆变工作。

经过10年左右的研制，场效应晶体管（MOSFET），巨型晶体管（GTR）及门极关断（GTO）晶闸管等全控型器件问世，并在实际应用中取得了理想效果。

从半控型器件向全控型器件的过渡标志着变频装置进入了可以与直流调速装置在性能/价格比上相比美，这是交流调速技术产生飞跃的又一个重要的突破。

　　目前，全控型电力电子器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易触发、好保护、小体积、集成化等方向继续发展，又出现了绝缘门极双极晶体管（IGBT）和绝缘栅门极关断（IGTO）晶体管等，即具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、器件容量大及热稳定性好的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。

这类器件是90年代变频装置的主流。

电力电子器件发展的更进一步的目标将是把控制、触发、保护等功能再集成化进来，从而形成电力电子与微电子技术相结合的产物，构成最新一代的功率集成器件（PIC）。

它将为最新一代高可靠、小型化、电机与电控装置可能合而为一的未来型交流电动机调速系统提供新的发展基础。

　　（3）脉宽调制技术

　　在交流电动机的调速过程中，通常要求调频和调压同时进行，早期调压多用相控技术，用相控方式生成的变频电压电源含有大量的谐波分量，功率因数低，动态响应慢，线路复杂，无法满足高性能调速系统的要求。

近年在广泛采用自关断元器件的情况下，逆变器普遍采用了脉宽调制技术，成功地解决了电源侧功率因数低的问题，同时也减少了谐波分量对电网的影响。

为了限制开关损耗，脉宽调制的频率通常选在300~1000Hz左右，但这个频率正好在人耳的敏感区，所以电机运行时的噪声是一个新问题。

为解决这个问题现在有几种不同的发展趋势。

一种是采用新型的谐振式逆变器，可以把开关频率提高到20KHz以上的超声区，从而清除噪声；另一种是在现有的元器件基础上，优选调制策略，降低脉宽调制的频率至人耳不敏感区，从而降低噪声。

总之，研究开关损耗小，功率因数高，谐波分量小，噪声低，运转平稳的逆变器是今后发展的方向。

脉宽调制技术的发展与应用使变频装置性能优化，可以适用于各类交流电动机，为交流调速的普及创造了条件。

　　（4）数字技术的应用

　　随着计算机技术突飞猛进的发展，16位乃至32位微处理机的应用越来越普及，且由于微处理机的运算速度提高、价格下降等新因素的出现，在电气传动中控制系统硬件由模拟技术转向数字技术，全部采用数字控制，充分发挥微机控制的综合优点。

数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性、还为新的控制理论与方法提供了物质基础。

微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展与交流电动机调速理论的现实化提供了最重要的保证。

　　从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：

一是采用专用的硬件、大规模集成电路（IC）；专用硬件可以降低设备的投资，提高装置的可靠性。

研制交流调速系统专用的IC芯片，可使控制系统硬件小型化、简单化。

二是采用通用计算机硬件、软件模块化，可编程化，通用硬件可编程序控制，应用范围广，但价高造。

从国际上采用数字调速的情况来看，前者一般多用于中小容量的标准系列产品，后者多用于大型工程大容量的传动系统。

　　1.4交流变频调速在起重机上的应用

　　绝大多数起重机要求在不同的场合，用不同的速度进行工作，其目的在于使起重机在各种合理的速度下有效地工作，以提高生产率和确保安全生产。

这种调速过程需在运行过程中进行，而且变换次数较多，因而机械变速一般不合适，大多数情况下需采用电气调速。

起重机电气调速系统分为两大类，即直流调速系统和交流调速系统，如前所述，直流调速方案因为直流电动机结构复杂，制造成本高，维护不便等诸多缺点，虽然目前在大型起重机上仍在使用，但正有逐步被交流调速方案所替代的趋势。

目前在起重机上采用的交流调速方案主要有：

绕线式异步电动机转子串电阻调速；能耗制动下降调速；涡流制动器调速，定子调压调速，串级调速及变频调速等。

表1—1比较了这几种主要的起重机交流调速方案的优缺点并指出了各自的应用场合。

　　从表1—1中可以看出，交流变频调速和其它起重机调速方案相比，具有明显的优点。

首先，起重机整体性能会有很大的提高，具有速度可在整个调速范围内连续控制，开、闭环特性好，调速比可达1：

100以上，调速精度±1%，调速平稳，负载突然变化时有极好的动态响应，可以长时间低速运行，使其具有极高的定位精度，节能效果显著，简化了电控系统，省去了电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和电动机正反转交流接触器，再加之系统传动所用变频电机属鼠笼式异步电动机类、成本相对低廉，维修少，因此变频调速是起重机最理想的交流调速方案，具有同直流传动一样的调速性能，性能价格比最高。

但在国内，交流变频调速在起重机特别是大吨位起重机上的应用还刚起步，原因是作为起重机核心机构的起升机构其位能性负载特性和使用安全性的需求使一般通用变频器在性能上不能满足要求。

低频时能否达到恒转矩输出；空中是否溜钩等问题一直是起重机起升机构使用变频调速的难点，还有起升机构重载下放时其再生制动能量是消耗在制动电阻上还是回馈回电网，这些一直都给起重机使用全变频调速控制系统带来困惑。

近年来，矢量控制变频器的出现给起重机能否安全使用变频调速技术带来了生机，国外、国内各大专业电气公司也都在致力于这方面的开发和研究，因此，怎样使矢量控制变频调速技术用于起重机电气传动，实现四象限运行，保证起升机构各种工况要求和良好的低速就位性能，对推动港口机械电气控制与调速系统的更新换代，具有非常实用的意义。

　　表1-1起重机常用交流调速方案

　　调速方案调速范围低速运行时的效率特点适用负载驱动机构

　　转子串电阻调速1：

3低1.线路简单、成本低、易维修2.调速性能差，无低速下降3.不能长期低速运行。

位能反抗起升运行

　　能耗制动调速1：

3~1：

5低1.同上2.重载下降能获得低速，上升无低速3.直流电源因电机而异，无法标准位能起升

　　涡流制动器调速1：

10低1.同上2.速度有低速，但不能长时间低速运行3.加大了系统GD2位能反抗起升运行

　　定子调压调速1：

10低1.线路复杂、成本高2.若采用闭环控制能得到稳定低速且调速范围较大，能无级调速位能反抗起升运行

　　串极调速1：

10~1：

30高1.同上2.适用于长期低速运行，重物下降时再生能量能收回，调速范围较大，能无级调速位能反抗起升运行

　　变极调速1：

2~1：

4高1.一般采用鼠笼式异步电机，只能适用于小容量起重机上2.有极调速，调速范围小位能反抗起升运行

　　变频调速1：

100高1.速度可在整个调速范围内连续控制2.有恒转矩性能，基频以上恒功率调速3.性能最优，但需专用变频装置，成本高位能反抗起升运行

　　2．变频调速系统

　　前已提到异步电动机的转速公式为：

　　n=60ƒ1（1-s）/pn  （2-1）

　　式中s—异步电动机的转差率，s=（no-n）/no。

其中no为同步转速。

改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。

　　对异步电动机进行调速控制时，通常要考虑的一个重要因素是，希望电动机的主磁通保持额定值不变。

磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁能太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，负载能力也要下降。

对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保护фm不变是很容易做到的。

在交流异步电机中，气隙磁通（主磁通）是定子和转子磁动势合成产生的，怎样才能保护磁通恒定呢？

下面说明之。

　　由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是

　　Eg=4.44ƒ1N1фm（2-2）

　　式中Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；

　　f1—定子频率（Hz）；

　　N1—定子每相绕组串联匝数；

　　фm—每极磁通量（Wb）。

　　由式（2-2）可见，фm的值是由Eg和f1共同决定，对Eg和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通фm保持额定值不变，达到控制фm的目的。

对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

（1）基频以下调速，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通фm不变，这就要求频率f1从额定值向下调节时，必须同时降Eg使

　　Eg=常数

　　ƒ

　　即保持电动势与频率之比常数进行控制。

这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。

　　但是，Eg难于直接检测和直接控制。

（当Eg和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1=Eg，保持U1/f1=常数即可）。

这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。

　　低频时，U1和Eg都较小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能在忽略。

这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。

如图2-1所示，其中I为U1/f1=C时电压，频率关系，II为有电压补偿时（近似的Eg/f1=c）的电压，频率关系。

　　　　图2-1恒压频比控制特性

（2）基频以上调速

　　在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增上，但电压U1却不能超过额定电压UN，最多只能保持U1=U1N。

由式2-2可知，这必然会使主磁通фm随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁升速的情况，属于近似的恒功率调速方式。

　　把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图2-2所示的异步电机变压变频调速控制特性，即异步电机变频调速的基本控制方式。

　　　图2-2异步电机变压变频调速控制特性

　　根据电机学原理，在下述假定条件下：

①忽略空间和时间谐波；②忽略磁饱和；③忽略铁损。

异步电机在正弦波恒压恒频供电下的机械特性方程式,由下式表示：

　　（2-3）

　　各参数定义如下：

　　R1、R2’——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；

　　L11+L12’——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；

　　U1、ω1——定子相电压和供电角频率；

　　s——转差率；

　　pn——极对数。

　　当s很小时，可忽略上式分母中含s的各项，则

　　（2-4）

　　即s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，如图2-3所示。

　　当s接近于1时，可忽略式（2-3）分母中的R2’，则

　　（2-5）

　　　图2-3恒压恒频异步电机的机械特性

　　即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。

当s为以上两段的中间数值时，机械特性以直线段逐渐过渡到双曲线段。

　　基于式（2-3），我们来推导一下异步电机变频调速的机械特性，分基频以下和基频以上两种情况。

（一）基频以下、频率协调控制时的机械特性

　　由式（2-3）的机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压U1和频率ω1可以有多种配合。

在U1和ω1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此，可以有不同方式的电压、频率协调控制。

（1）恒压频比控制（U1/ω1=c）

　　为了近似地保持气隙磁通фm不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。

这时，同步转速自然要随频率变化。

　　式中n0—同步转速（r/min）

　　因此，带负载时的转速降落∆n为

　　式中∆n—转速降落（r/min）

　　在式（2-3）所表示的机械特性的近似直线段上，可以导出

　　由此可见，当U1/ω1为恒值时，对于同一转矩Te，sω1是基本不变的，因而∆n也是基本不变的。

这就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，如图2-4所示。

它们和他励直流电机变压调速时特性的变化情况相似，所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。

而且频率低时最大转矩越小。

　　U1/ω1=c，最大转矩Temax随角频率ω1的变化关系为

　　（2-6）

　　　　图2-4恒压频比控制时变频调速的机械特性

　　可见Temax是随着ω1的降低而减小的。

频率很低时，Temax太小，将限制调速系统的带载能力。

采用定子压降补偿，适当地提高电压U1可以增强带载能力。

（2）恒Eg/ω1控制

　　图2-5给出了异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：

　　Eg—气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；

　　Es—定子全磁通的感应电动势；

　　Er—转子全磁通的感应电动势（折合到定子边）。

　　　图2-5异步电机稳态等效电路和感应电动势

　　如果在电压、频率协调控制中，恰当地提高电压U1的份量，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/ω1为恒值（基频以下），则由式（2-2）可知，无论频率高低，每极磁通фm均为常值，由图2-5可以得到

　　将它代入电磁转矩基本关系式，得

　　（2-7）

　　这就是恒Eg/ω1时的机械特性方程式

　　利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（2-7）分母中含s2项，则有

　　（2-8）

　　这表明机械特性的这一段近似为一条直线。

当s接近1时，可忽略式（2-7）分母中的R2’2项，则有

　　（2-9）

　　对比式（2-3）和式（2-7）可以看出，恒Eg/ω1，特性分母中含s的参数要小于恒U1/ω1特性中的同类项，也就是说，s值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/ω1特性的线形段范围更宽。

图2-6给出了不同控制方式的机械特性。

　　将式（2-7）对s求导，并令dTe/ds=0，可得Eg/ω1，控制特性在最大转矩时的转差率

　　（2-10）

　　和最大转矩

　　　图2-6不同电压、频率协调控制方式时的机